L'insieme di tutte le parole primitive è una lingua principale?


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Una parola è chiamata primitiva , se non ci sono parole e modo che . L'insieme di tutte le parole primitive su un alfabeto \ Sigma è una lingua ben nota. WLOG possiamo scegliere \ Sigma = \ {a, b \} .wwv vk > 1 k>1w = v kw=vk Q QΣ ΣΣ = { a , b }Σ={a,b}

Una lingua LL è il primo , se per ogni lingua UNA e BB con L = A BL=AB abbiamo A = { ϵ }A={ϵ} o B = { ϵ }B={ϵ} .

Q prime è?

Con l'aiuto di un solutore SAT ho potuto dimostrare che non abbiamo { a , b } A{a,b}A o { a , b } B{a,b}B , altrimenti altrimenti { a b a b a , b a b a b } Q{ababa,babab}Q non può essere fattorizzato in UNA e BB , ma da allora sono rimasti bloccati.

Risposte:


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La risposta è si. Supponiamo di avere una fattorizzazione Q = A BQ=AB .

Una semplice osservazione è che UNA e BB devono essere disgiunti (poiché per w A BwAB otteniamo w 2Qw2Q ). In particolare, solo uno di A , BA,B può contenere εϵ . Possiamo supporre WLOG (dal momento che l'altro caso è del tutto simmetrica) che ϵ BϵB . Poi dato un'a e Bb non possono essere presi in considerazione fattori non vuote, dobbiamo avere a , b Aa,bA .

Quindi otteniamo che (e, completamente analogamente, ) per tutti per induzione su :a m b nA ambnAb m a nA bmanAm , n > 0 m,n>0mm

Per , dal momento che , dobbiamo avere con . Poiché , deve essere per alcuni . Ma se , allora poiché otteniamo , contraddizione. Così , e . m = 1 m=1a b nQ abnQa b n = u v abn=uvu A , v B uA,vBu ϵ uϵv vb kbk k n knk > 0 k>0b A bAb 1 + kQ b1+kQv = ϵ v=ϵa b nAabnA

Per il passo induttivo, poiché abbiamo con . Poiché di nuovo , abbiamo per alcuni , o per alcuni . Ma nel primo caso, è già in dall'ipotesi di induzione, quindi , contraddizione. In quest'ultimo caso, si deve avere (cioè ) dato da otteniamo . Quindi .a m + 1 b nQ am+1bnQa m + 1 b n = u v am+1bn=uvu A , v B uA,vBu ϵ uϵv = a k b nv=akbn 0 < k < m + 1 0<k<m+1v = b kv=bk k < n k<nv vA Av 2Q v2Qk = 0 k=0v = ϵ v=ϵb A bAb 1 + kQb1+kQu=am+1bnAu=am+1bnA

Consideriamo ora il caso generale di parole primitive con alternanze tra e , cioè o è , (per ), o (per ); possiamo dimostrare che sono tutti in usando l'induzione su . Ciò che abbiamo fatto finora ha riguardato i casi di base e .rraabbwwam1bn1amsbnsam1bn1amsbnsbm1an1bmsansbm1an1bmsansr=2s1r=2s1am1bn1ams+1am1bn1ams+1bm1an1bms+1bm1an1bms+1r=2sr=2sAArrr=0r=0r=1r=1

Per , usiamo un'altra induzione su , che funziona in modo molto simile a quella per sopra:r>1r>1m1m1r=1r=1

Se , allora con e poiché , ha meno di alternanze. Quindi (o la sua radice nel caso stesso non sia primitivo) è in dall'ipotesi di induzione su per una contraddizione come sopra a meno che . Quindi, .m1=1m1=1w=uvw=uvuA,vBuA,vBuϵuϵvvrrvvvvAArrv=ϵv=ϵw=uAw=uA

Se , in qualsiasi fattorizzazione con , ha meno alternanze (e la sua radice è in meno che dall'ipotesi di induzione su ) o un primo blocco più corto (e la sua radice è in A a meno che dall'ipotesi di induzione su ). In entrambi i casi abbiamo ottenere che dobbiamo avere , cioè .m1>1m1>1w=uvw=uvuϵuϵvvAAv=ϵv=ϵrrv=ϵv=ϵm1v=ϵw=uA


Il caso di è piuttosto complicato. Le cose ovvie da notare sono che in qualsiasi decomposizione , sia che devono essere sottoinsiemi di con . Inoltre, deve essere contenuta in .Q:=Q{ϵ}Q=ABABQAB={ϵ}a,bAB

Con un po 'di lavoro extra, si può dimostrare che e devono essere nello stesso sottoinsieme. In caso contrario, assumere WLOG che e . Diciamo che ha una corretta fattorizzazione se con e . Abbiamo due sottocasi (simmetriche) a seconda di doveabaAbBwQw=uvuA{ϵ}vB{ϵ}ba va (deve essere in A o B poiché non ha una fattorizzazione corretta).

  • Se b un A , poi un b una non ha fattorizzazione corretta dal b una , un B . Dal momento che un b un A implicherebbe un b un b A B , otteniamo un b un B . Di conseguenza, b a b non è né in A (il che implicherebbe b a b a b a AB ) né in B (che implicherebbe a b a b A B ). Ora considera la parola b a b a b . Non ha una fattorizzazione corretta poiché b a b A B e a b a b , b a b a non sono primitivi. Se b a b a b A , allora poiché a b a Botteniamo ( b a ) 4A B ; se b un b un b B , poi dal momento che un A otteniamo ( un b ) 3A B . Quindi non c'è modo di avere b a b a b A B , contraddizione.
  • Il caso b a B è completamente simmetrico. In breve: b a b non ha una fattorizzazione corretta e non può essere in B , quindi deve essere in A ; quindi a b a non può essere in A o B ; pertanto a b a b a non ha una fattorizzazione adeguata ma non può neppure essere in contraddizione con A o B.

Al momento non sono sicuro di come procedere oltre questo punto; sarebbe interessante vedere se l'argomento sopra può essere sistematicamente generalizzato.


Caspita, hai il mio rispetto. Lo esaminerò più tardi oggi o domani poiché non ho tempo in questo momento, ma sono seriamente colpito :) Mi ci sono volute alcune ore per capire che {a, b} sono in A ma non ho sfruttato che \ epsilon non è una parola primitiva. Come hai affrontato questo problema (o è stato "basta farlo"?)? Quanto tempo hai impiegato per presentare quella prova?
Henning,

Grazie! Ho avuto l'idea principale (mostrando che qualsiasi suffisso proprio non vuoto delle parole deve essere in A ) pensando a cosa succede ad alcune parole "semplici". ε , una , e b erano relativamente semplice, un n o b n erano fuori questione, e considerando un b , un b b , un b b b , ... mi ha fatto sulla strada giusta.
Klaus Draeger,

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La tua prova è bella e non è così difficile come pensavo (mi sento abbastanza stupido ora, ho passato un po 'di tempo a pensarci). Tuttavia, sembra che si riporti pesantemente che epsilon non è un elemento di Q. Q { ϵ } è anche primo?
Henning,

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Buona domanda! Dovrò tornare da te su quello.
Klaus Draeger,

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Grazie per i commenti e scusate il ritardo. Il caso in cui vogliamo includere la parola vuota sembra essere più complicato, vedi aggiornamento.
Klaus Draeger,
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